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Aspectos Eléctricos del Diseño Digital
Kit de supervivencia para estudiantes de un primer curso de ingeniería
Eduardo I. Boemo
Escuela Politécnica Superior Universidad Autónoma de MadridCtra. de Colmenar Km.15. 28049 Madrid, España.
Teléfono: +34 91 497 6213http://www.eps.uam.es/~ivan
Introducción
Algunos detalles eléctricos usted no puede ignorar:
Niveles lógicos Corrientes de E/S de una puerta Tiempos de propagación Slew-rate y Rise and Fall times Fan-out Pull-up / Pull-down Open-collector / Wire-AND Schmitt-trigger Buffers/Drivers, Transceivers Debounce Cómo encender un LED
El diseño lógico, tal como lo ha estudiado en CIRDIG, tiene ciertasrestricciones cuando se pasa del papel(o del simulador) a un circuito real.
En el mundo real, los aspectoseléctricos a veces son fundamentales. Por ejemplo:
Una puerta con 100 entradas conectadas a su salida es impecabledesde el punto de vista lógico, pero el circuito NO funcionará.
Un sumador sumará bien desde el punto de vista lógico pero no funcionará a 500 MHz.
El circuito funcionará pero la batería se agotará demasiado rápido.
Familias LógicasFamilia Características
74 Es la más antigua, fue introducida en 1963 y popularizada por Texas Instruments.
74H74L
High Speed TTLLow Power TTLTienen la misma estructura pero cambian los valores de los resistores
El desarrollo de los transistores Schottky y su introducción en los años 70 en la familia TTL hizo obsoletas las familias74, 74H, 74L
74S Schottky TTLEs la primera familia que utiliza transistores SchottkyMejora mucho la velocidad de la serie 74 pero con mucho más consumo.
74LS Low power Schottky TTLIguala la velocidad de la serie 74 TTL pero consume una quinta parte.
74AS Advanced Shottky TTLOfrece el doble de velocidad que la 74S con la mitad de consumo
74ALS Advanced Low Power Schottky TTLOfrece velocidades y consumos mejores que la LS.Rivaliza con la LS
74F Fast TTL
Fuente: http://serwebdte.upct.es/personal/andres_iborra/
Familias LógicasSerie Retardo de
propagación (ns)Disipación de potencia (mW)
Producto velocidad-potencia, pJ
54LS/74LS 9.5 2 19
54L/74L 33 1 33
54S/74S 3 19 57
54/74 10 10 100
54H/74H 6 22 132
Fuente: http://fit.um.edu.mx/jorgemp/clases/sistemas/diapositivas/Circuitos%20Integrados.ppt
Familias Lógicas
Niveles Lógicos
VIH = Tensión mínima que se debe aplicar a la entrada de una puerta correspondiente a un “1”. La máxima es Vcc
VIL = Tensión máximo que se puede aplicar a la entrada de una puerta para que entienda un “0”.
VOH = Tensión mínimo de salida que entrega una puerta correspondiente a un “1”. VOL = Tensión máximo de salida que entrega una puerta correspondiente a un “0”.
Fuente: http://www.unicrom.com/Dig_Tecnologia_TTL1.asp
V0L
Niveles de entrada Niveles de salida
Niveles Lógicos: márgen de ruido
En este ejemplo, el margen de ruido es 0,4. Por ejemplo, si un “0” en una salida es COMO MÁXIMO 0,4 v (y no 0 v como debería ser), aún con un ruido inducido de 0,4 v, la puerta siguente entendería que los 0,8 v que recibe corresponden al “0”
Fuente: http://www2.ate.uniovi.es/fernando/Doc2005/Ei_05/Presentaciones/Familia%20TTL.pdf
Corrientes nominales
IIH = Corriente que toma la entrada de una puerta cuando se aplica un “1” (con un “1” le “entra” corriente a la pata de entrada)
IIL = Corriente que entrega la entrada de una puerta cuando se aplica un “0” (con un “0” sale corriente de la pata de entrada)
IOH = Corriente que entrega la salida de una puerta cuando está a “1”
IIL = Corriente que toma la salida de una puerta cuando está a “0”
Ejemplo de IOH e IOL según familia lógica:
Fuentes: TI
Niveles Lógicos: corrientes nominales
Los niveles de tensión especificados se mantienen SOLO si se respetan las corrientes nominales máximas (ejemplo: no se puede“cargar” una salida con más de 0,4 mA cuando está a “1”)
Fuente: http://www.twysted-pair.com/74xx.htm
Niveles Lógicos: concepto de fan-out
Una puerta tipo TTL que es fuente o source de datos:
1. Entrega corriente a las entradas de las puertas que tiene conectadas enel estado ALTO (IIH)
2. Absorbe corriente de dichas puertas en el estado BAJO (IIL).
Cuantas más puertas se conectan (“cargan”) a la fuente, mayor es la corriente que debe suministrar o tomar.
Para el caso de un “1”, al aumentar esta corriente, la caída de tensión interna de la puerta fuente aumenta, haciendo que la tensión de salida VOH
disminuya. Si se conecta un número excesivo de puertas de carga, la tensión VOH cae por debajo de su valor mínimo V OH(min)
Fuente: http://serwebdte.upct.es/personal/andres_iborra/
Niveles Lógicos: concepto de fan-out
Una puerta excitadora TTL (sumidero) absorbe corriente de las puertas de carga en elestado BAJO (IIL).
La corriente que debe tomar también aumenta con cada entrada de carga que se añade. Al aumentar esta corriente, la caída de tensión interna de la puerta excitadora aumenta, haciendo que VOL aumente. Si se conecta un número excesivo de puertas de carga, la tensión VOL se hará mayor que VOL(max)
V OL
I IL(1)
I IL(2)
I IL(n)
+ 5 V.
+ 5 V.
+ 5 V.
Fuente: http://serwebdte.upct.es/personal/andres_iborra/
Niveles Lógicos: concepto de fan-out Fan-out: dos definiciones:
Número de entrada conectada a una salida Capacidad total (pF) conectada a una salida
Ejemplo:
For a logic high, a good chip will source 0.4 mA and maintain a minimum of 2.4 V
For a logic high, the input will draw no more than 0.04 mA This means that a high output of a good chip will drive 10 inputs high.
For a logic low, a good chip will sink 16 mA and hold the voltage at 0.4 V maximum.
For a logic low, the input will draw no more than 1.6 mA This means that a low output of a good chip will drive 10 inputs low.
Draw = “tirar, tomar” Sink = “dejar caer”
Es decir: el número de entradas (10 en el ejemplo de arriba) que se puedeconectar a la salida una puerta es LIMITADO y depende de cada estándar y tecnología
Fuente: http://www.twysted-pair.com/74xx.htm
Tiempos de propagación
Tiempo de propagación (TPD = Propagation Delay Time) : retardo de una puerta para pasar de 01 o 1 0 cuando se cambian las entradas.
Los retardos para 01 y 1 0 son distintos.
Todos los tiempos se expresan en ns (nanosegundo) = 10-9 segundos.
Actualmente estamos entrando en la época de componentes con retardos de centenas de ps (picosegundos) = 10-12 segundos.
Menor tensión o mayor temperatura AUMENTAN los retardos.
Device F ALS ABT AC HC AHC AHC LVT ALVC LVC LV
PropagationDelay [ns]
4 6 2.7 5 13 5.5 8.3 2.4 2.0 4.5 10
VoltageSwing [V]
3 3 3 4.8 4.8 4.8 3 3 3 3 3
SlewRate [V/ns]
1.3 1.0 1.0 2.0 0.9 0.8 0.5 1.2 1.3 0.9 0.7
- VCC = 5.0v VCC = 3.3v
Fuente: http://www.interfacebus.com/IC_Output_Slew_Rate.html
Tiempos de propagación
“Slew-rate: In electronics, the slew rate represents the maximum rate of change of signal at any point in a circuit” (Reproducido de: Wikipedia).
Es decir: la velocidad de subida o bajada de una señal de salida expresada en voltios por nanosegundos.
Un slew-rate bajo (rampa lenta de tensión) siempre es peligroso.
Rise-time (tiempo de subida): Tiempo que tarda una señal en pasar del 10% al 90% de su valor final.
Fall-time (tiempo de bajada):
Idem mutatis mutandis
Resistencias de Pull-up y Pull-down
Las entradas conectadas a interruptores no pueden estar flotando: su nivel lógico es indeterminado. Para evitar esto, se utilizan pull-ups o pull-downs.
Las resistencias de pull-ups o pull-downs se dimensionan (hecho por Xilinx) teniendo en cuenta la corrientes nominales IIH e IIL .
Fuente: http://www.seattlerobotics.org/encoder/mar97/basics1.gif
Circuito Antirrebote (debounce circuit) Definition: Electrical contacts in
mechanical pushbutton switches often make and break contact several times when the button is first pushed. A debouncing circuit removes the resulting ripple signal, and provides a clean transition at its output.
En HW se quita mediante circuitos basados en dos ideas:
Redes RC (el C se descarga rápidamente con el interruptor y se carga lentamente a través de la resistencia)
Biestables que almacenan el dato del primer rebote.
En un μP se puede quitar por SW.
Fuentes: http://www.ece.utep.edu/courses/web3376/images/switch_debounce_DIP_portH0_falling.gifhttp://www.maxim-ic.com/glossary/index.cfm/Ac/V/ID/82/Tm/Debouncehttp://www.play-hookey.com/digital/images/debounce.gif
Power-on Reset From Wikipedia, the free encyclopedia
A power-on reset (PoR) generator is peripheral that generates a reset signal when power is applied to the device. It ensures that the device starts operating in a known state.
In VLSI devices, the power-on reset (PoR) is an electronic device incorporated into the integrated circuit that detects the power applied to the chip and generates a reset impulse that goes to the entire circuit placing it into a known state. A simple PoR is composed by an RC device that charges with the rising of the supply voltage. A schmitt trigger is used so that the rising charged voltage of the RC network generates an impulse. This impulse is generated based on the two threshold voltages of the schmitt trigger. When the input voltage at the schmitt trigger coming from the RC network reaches the first threshold voltage the output of the schmitt trigger switches so that it generates the first edge of the input. The charging of the RC network should be long enough so that the PoR can reset all the internal circuits before the charging voltage reaches the other threshold voltage of the schmitt trigger and the output to switch back.
One of the issues with using RC network to generate PoR pulse is the sensitivity of the R and C values to the power-supply ramp characteristics. When the power supply ramp is rapid, the R and C values can be calculated so that the time to reach the switching threshold of the schmitt trigger is enough to apply a long enough reset pulse. When the power supply ramp itself is slow, the RC network tends to get charged up along with the power-supply ramp up. So when the input schmitt stage is all powered up and ready, the input voltage from the RC network would already have crossed the schmitt trigger point
Fuente: http://www.discoverprojects.com
Open-collector / Open-Drain
Fuente: http://www.eng.cam.ac.uk/DesignOffice/mdp/electric_web/Digital/DIGI_3.html
Salida totem-pole
Open-collector / Open-Drain
Ejemplo:
74HC04 es un sextuple inversor normal
74HC05 idem pero open drain
Open-collector / Open-Drain
En los circuitos open-collector, la salida no está conectada a un transistor superior); el colector del transistor inferior está suelto y accesible desde el exterior a travésde un pin.
Un open collector permite encenderLEDs, manejar una carga o conectarvarias salidas juntas para hacer unawired-AND
Wire-AND = AND cableada: útilcuando se requiere una AND de gran número de entradas.
Fuente: http://www.du.edu/~etuttle/electron/elect13.htm
Entradas Schmitt-trigger In electronics, a Schmitt trigger is a comparator
circuit that incorporates positive feedback.
When the input is higher than a certain chosen threshold, the output is high; when the input is below another (lower) chosen threshold, the output is low; when the input is between the two, the output retains its value. The trigger is so named because the output retains its value until the input changes sufficiently to trigger a change. This dual threshold action is called hysteresis, and implies that the Schmitt trigger has some memory.
The benefit of a Schmitt trigger over a circuit with only a single input threshold is greater stability (noise immunity). With only one input threshold, a noisy input signal near that threshold could cause the output to switch rapidly back and forth from noise alone. A noisy Schmitt Trigger input signal near one threshold can cause only one switch in output value, after which it would have to move to the other threshold in order to cause another switch
Fuente: WIKIPEDIA
Entradas Schmitt-trigger
Ejemplo de efecto de señal ruidosa que entra a una pata sin Smchmitt-trigger
• Un Schmitt-triggger hace que el paso de 0 a 1 de una señal lenta y ruidosa sea limpio y ocurra cuando alcanza por primera vez el umbral 0-->1
Fuente: http://www.vego.nl/3/5/3/3_5_3.htm
“0”
“1”
Concepto de HISTERESIS
Umbral 0->1
Umbral 1->0
Buffer / Driver
Buffer: elemento que separa por medio de controles de alta impedancia (tri-state)
Driver: elemento con capacidad de entregar y absorber más corriente manteniendo los niveles lógicos (mayor fanout)
Transceivers
Para pasar datos entre dos buses.
Bidireccionales
OEBA = output enable para pasar datos desde el bus B al bus A
Cómo encender un LED?
Most LED's have a current rating, which determines the size of the resistor you will need. The current rating tells you what the maximum allowable current for the part is. In general, the higher the current, the brighter the LED.
Most LED's seem to handle at least 15mA. If you are using a 5 volt circuit, then Ohms law tells you what resistor value to use:
R = V / I
R = 5v / 0.015A = 333 ohms.
Fuente: http://www.seattlerobotics.org/encoder/mar97/basics1.gif
Conclusiones
En los manuales de componentes encontrará decenas de hojas describiendo:
Aspectos eléctricos
Funcionalidad
Rango de temperatura de operación
Degradación de la velocidad en función de la temperatura y tensión
Potencia dinámica (watt por cada MHz de operación)
Potencia estática
Encapsulados
Dimensiones
Ejemplos de aplicación
Obsolescencia
….